专利名称：一种具有磁场驱动马氏体相变效应的磁性材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种形状记忆材料，具有铁磁性和双向形状记忆效应，特别是涉及具有磁场可驱动马氏体相变的Ni38Fe9Co3Mn34Al16磁性材料及其制备方法。
背景技术：
通常的形状记忆合金在相对高温下具有一种晶体结构，以下称为母相，而在相对低的温度下自发变成另外一种晶体结构，一般称之为马氏体相。当从较高的温度降温到较低的温度时，材料从母相转变为马氏体相，该相转变叫做马氏体相变。反过来，从相对低的温度加热材料，合金会从马氏体相转变为母相，这种相反的相转变称为马氏体逆相变。一般将马氏体转变的开始点和终点，分别称为Ms点和Mf点，将马氏体逆相变的开始和终点，分别称为As点和Af点。如果Ms和As之间差值较小，比如为几度或几十度，材料的这种马氏体相变被称为热弹性马氏体相变。一般地，将某种合金材料在母相以确定的形状冷却，直到形成马氏体相以后，再人为地改变其原有的形状，然后，将合金材料升温，直到转变成奥氏体时，如果合金材料的形状完全或部分地转变为原来的形状，这种现象称为形状记忆效应。另外，如果在同样的上述温度循环中，母相的形状在降温引起的相变时刻变形，再在随后的升温引起的逆相变时刻再变形，并且部分或全部地转变成原来母相的形状，被称之为双向形状记忆效应。一般形状记忆合金元件形变被温度和应力变化控制，这导致其响应频率较低，且提升困难，而磁性形状记忆合金的结构转变可以通过磁场控制，动作响应速度快，因此被广泛用于各种〃智能〃型用途，如各种微机电器件等。在现有材料中，具有类似性质的NiCoMnGa (见K.Ullakko, J.K.Huang,C.Kanter, V.V.Kokorin, and R.C.0，Handley, App1.Phys.Lett.69, 1966(1996).)、MnCoNiGa(见G.D.Liu, J.L.Chen, Z.H.Liu, X.F.Dai, and G.H.ffu,App1.Phys.Lett.87, 262504 (2005).)、NiCoMnIn(见 R.Kainuma, Y.1mano, ff.1to,Y.Sutou, H.Morito, S.0kamoto, 0.Kitakami, K.0ikawa, A.Fujita, T.Kanomata,and K.1shida, Nature (London) 439, 957 (2006).)、NiCoMnSb (见 R.Kainuma, Y.1mano, ff.1to, H.Morito, Y.Sutou, K.0ikawa, A.Fujita, K.1shida, S.0kamoto,and 0.Kitakami, App1.Phys.Lett.88，192513 (2006).)和 NiCoMnSb (见 S.Y.Yu,L.Ma, G.D.Liu, Z.H.Liu, J.L.Chen, Z.X.Cao, G.H.ffu, B.Zhang, and X.X.Zhang.App1.Phys.Lett.90, 242501 (2007).)合金中 Ga、In、Sn、Sb 元素均较为昂
贵，从制作实用智能器件，如微纳驱动器的角度来讲成本较高。此外，NiCoMnGa，MnCoNiGa等材料的母相较脆，在相变过程中易出现碎裂，既不易制备又影响了其功能的稳定性。NiMnAl是传统的形状记忆合金(见 S.Morito, T.Kakeshita, K.Hirata, and K.0tsuka, ActaMater.46，5377 (1998).)，其中Al的价格极为低廉且其延展性很好，但是它不具有磁性，限制了其在磁场驱动方面的应用。已有的NiCoMnAl虽然同样可以实现磁场驱动马氏体相变(见 R.Kainuma, ff.1to, R.Y.Umetsu, K.0ikawa, and K.1shida, App1.Phys.Lett.93，091906 (2008))，但由于Co本身脆性很高，所以导致NiCoMnAl合金的韧性较低，不利于加工。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有磁场驱动马氏体相变效应的磁性材料及其制备方法，用以克服现有的具有磁场驱动马氏体相变效应的形状记忆材料存在的韧性差，难以加工，且原料价格十分昂贵的缺陷。为了实现上述目的，本发明所采取的措施首先是一种具有磁场驱动马氏体相变效应的磁性材料，其所述材料的化学式按原子百分比含量为:Ni38Fe9Co3Mn34Al16。其次是一种用于上述的具有磁场驱动马氏体相变效应的磁性材料的制备方法，其所述方法按下列步骤进行:
(I)称量配比
按化学式为Ni38Fe9Co3Mn34Al16的原子百分比含量，称取纯度为99.90%以上的N1、Fe、Co、Mn和Al材料。(2)熔炼錠材
将上述步骤(I)按原子百分比含量称量好的材料置于熔炼坩埚中，采用电弧熔炼方法获得Ni38Fe9Co3Mn34Al16多晶，其熔炼条件为:在本底真空达到2X 10_3 Pa以下时，通入1.0
1.2MPa氩气，整个熔炼过程样品采用氩气保护，熔炼电流100 A，每个样品翻转三次，共熔炼四次，熔炼成分均匀后，获得Ni38Fe9Co3Mn34Al16磁性合金錠材。(3)快淬甩带
将上述步骤(2)获得的磁性合金錠材置入一端开口，另一端开有小孔的石英管中，将置有錠材的石英管安放到甩带机炉腔内，将炉腔抽真空到10_3 Pa以下后，向炉腔内通入高纯氩气，使炉腔内压强达到0.05MPa，采用感应加热，使材料处于熔融状，后从石英管上部吹入压力为1.0 1.2MPa的高纯氩气，使熔融材料液体由小孔中喷射到高速旋转的铜轮上快速甩出，其喷射的线速度为15 18 m/s，制得宽度为2 3mm，厚度为40 50 μ m的具有磁场驱动马氏体相变效应的磁性带材。实现本发明上述所提供的一种具有磁场驱动马氏体相变效应的磁性材料及其制备方法，与现有技术相比，其直接带来的和必然产生的优点与积极效果在于:使用十分廉价的原料制备出具有磁场驱动马氏体相变效应的磁性材料，其显示磁场驱动马氏体相变效力的特征值dT/dH (单位磁场使相变温度移动的大小)可达到4.4K/T，这一数值与已有的造价较高的此类材料的驱动效率相当。且由于其韧性很高，易于加工，有利于实际生产应用。本发明所提供的Ni38Fe9Co3Mn34Al16磁性形状记忆合金具有广泛的潜在用途，如用于动作执行器，温度和/或磁性敏感元件，磁制冷器件和设备，磁存储器，微型机电器件和系统等。本发明的原料价格低廉且易于储备，并且使用常规的熔炼设备、快淬甩带设备即可成功制备。因此，本发明的制备方法成本低，易于工业化生产。
图1是本发明Ni38Fe9Co3Mn34Al16材料的X射线衍射谱。
图2是本发明Ni38Fe9Co3Mn34Al16材料磁场驱动下相变温度移动dT/dH表现。图3是本发明Ni38Fe9Co3Mn34Al16材料磁场驱动下的磁化曲线。
具体实施例方式下面对本发明的具体实施方法作出进一步的说明。实施本发明所提供的一种具有磁场驱动马氏体相变效应的磁性材料，其所述磁性材料的化学式按原子百分比含量为=Ni38Fe9Co3Mn34Al16，其中=NiMnAl合金的母相和马氏体相皆无磁性，掺入Fe以后,Fe增强了母相中最近邻Mn-Mn之间铁磁交换作用而对马氏体相中Mn-Mn交换作用影响极小，从而使得相变过程中磁化强度出现显著变化，为实现磁场驱动提供了有利条件。但由于Fe含量增加过程中相变熵也显著增大，单纯掺Fe无法实现磁场驱动，所以再掺入少量的Co使得熵变增加较小的基础上磁化强度大幅度增加，从而实现磁场驱动马氏体相变。在实验过程中，甩带快淬得到的薄带可以去除掺杂所造成的杂相，最终实现Ni38Fe9Co3Mn34Al16磁性形状记忆合金。现有的NiMnAl形状记忆合金的形变只能被温度和应力变化控制，这导致其响应频率较低，且提升困难，而Ni38Fe9Co3Mn34Al16的结构转变可以通过磁场控制，动作响应速度快，可以被广泛用于各种"智能"型用途，如磁存储器和微机电器件的制作等。
表一给出了纯度为99.90%的金属元素的市场价格，通过对比可以发现，与已有的NiCoMnGa, NiCoMnIn, NiCoMnSnJP NiCoMnSb等具有磁场驱动马氏体相变效应的材料相比，Ni38Fe9Co3Mn34Al16的成本大大降低。表一纯度为99.90%的金属兀素的帀场价格
权利要求
1.1、一种具有磁场驱动马氏体相变效应的磁性材料，其所述材料的化学式按原子百分比含量为:Ni38Fe9Co3Mn34Al16。
2.2、一种用于如权利要求1所述的具有磁场驱动马氏体相变效应的磁性材料的制备方法，其所述方法按下列步骤进行: (1)称量配比 按化学式为Ni38Fe9Co3Mn34Al16的原子百分比含量，称取纯度为99.90%以上的N1、Fe、Co、Mn和Al材料； (2)熔炼錠材 将上述步骤(I)按原子百分比含量称量好的材料置于熔炼坩埚中，采用电弧熔炼方法获得Ni38Fe9Co3Mn34Al16多晶，其熔炼条件为:在本底真空达到2X 10_3 Pa以下时，通入1.0 `1.2MPa氩气，整个熔炼过程样品采用氩气保护，熔炼电流100A，每个样品翻转三次，共熔炼四次，熔炼成分均匀后，获得Ni38Fe9Co3Mn34Al16磁性合金錠材； (3)快淬甩带 将上述步骤(2)获得的磁性合金錠材置入一端开口，另一端开有小孔的石英管中，将置有錠材的石英管安放到甩带机炉腔内，将炉腔抽真空到10_3 Pa以下后，向炉腔内通入高纯氩气，使炉腔内压强达到0.05MPa，采用感应加热，使材料处于熔融状态，后从石英管上部吹入压力为1.0 1.2MPa的高纯氩气，使熔融材料液体由小孔中喷射到高速旋转的铜轮上快速甩出，其喷射的线速度为15 18 m/s,制得宽度为2 3mm，厚度为40 50 μ m的具有磁场驱动马氏体相变效应的磁性带材。
全文摘要
一种具有磁场驱动马氏体相变效应的磁性材料及其制备方法，其所述磁性材料是Ni38Fe9Co3Mn34Al16；其制备方法是按Ni38Fe9Co3Mn34Al16的原子百分比含量称取Ni、Fe、Co、Mn和Al材料，并在真空下通入氩气保护进行熔炼，获得Ni38Fe9Co3Mn34Al16磁性合金錠材；再将磁性合金錠材置入石英管，安放到甩带机真空腔内，通入氩气加热为熔融状后，由石英管上部吹入氩气，使熔融材料液体喷射到高速旋转铜轮上快速甩出，制得具有磁场驱动马氏体相变效应的磁性材料。本发明磁性材料的磁场驱动马氏体相变效力的特征值达到4.4K/T，且原料价格更低廉，韧性更高，可控制性更强；在磁性敏感元件、磁制冷器件和设备、磁存储器、微型机电器件及系统等方面具有潜在的应用价值。
文档编号C22C1/02GK103146958SQ20131005685
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月23日 优先权日2013年2月23日
发明者冯琳, 冀婷, 张文星, 张彩霞, 李维强, 韩国华 申请人:太原理工大学